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与新能源发电场“联姻” 调相机为大电网安全运行保驾

来源:科技日报2022-02-15 09:40

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  21台分布式调相机全部投产后,可直接提升青海海南州地区新能源外送能力350万千瓦,预计年均增发新能源电量70.2亿千瓦时,若全部输送至华中地区,年均可替代当地火电原煤318.9万吨,减排二氧化碳574.2万吨,经济效益良好,节能减排收益显著。

  截至2月15日,位于青海省共和县新能源基地内的世界最大规模新能源调相机群累计增发新能源电量7.85亿千瓦时,并且全部输送至华中地区,相当于替代当地火电原煤35.66万吨,减排二氧化碳64.21万吨。

  1月23日,青海海南新能源基地最后3台50兆乏新能源调相机完成168小时正式运行,标志着世界最大规模新能源分布式调相机群在青海全面建成投运,这也对未来国内其他大型清洁能源基地的建设、运行及外送消纳提供了成功示范。

  被誉为电网“稳压器”的调相机在电网侧早已大规模应用,且技术成熟、产品丰富。然而,国内外尚无调相机在新能源场站应用的先例。此次调相机与新能源发电场的首度“联姻”,成为我国在电源侧大规模分布式调相机技术创新方面的有益探索。在实现碳达峰、碳中和目标背景下,我国正以清洁能源产业全力推动能源清洁低碳转型。

  新能源高占比带来暂态过电压问题

  寒冬时节,共和县晴空万里,成片的光伏板熠熠生辉,风力发电机的巨大叶片迎风转动……千万千瓦级新能源基地正把丰富的太阳能和风能转化为清洁电能。凭借得天独厚的资源禀赋,青海电网已经成为全国清洁能源、新能源发电装机占比最高的省域电网。

  为实现青海新能源电力大规模外送消纳,2018年11月7日,起于共和县、连接青藏高原和中原大地的世界首个新能源远距离输送大通道——±800千伏青海至河南特高压直流输电工程(以下简称青豫直流工程)开工建设。这个新能源大通道额定容量为800万千瓦,年满负荷输送电量达400亿千瓦时。

  国网青海省电力公司(以下简称国网青海电力)调控中心系统运行处处长陈春萌介绍,青豫直流工程新能源电源装机规模大、占比高,电压支撑能力相对薄弱,导致了较为严重的暂态过电压问题,对电网设备设施的安全运行造成威胁,这也成为阶段性制约青豫直流工程送出能力的主要因素。

  解决系统暂态过电压问题,需从电网侧和新能源发电侧两头发力。为此,国网青海电力在青豫直流工程的起点——±800千伏青南换流站配置了4台30万千乏调相机。调相机2020年建成投产后,电网侧换流站的暂态过电压问题得以有效解决。

  暂态过电压的最高点出现在新能源发电侧,如何抑制新能源发电侧的暂态过电压问题,此前并无经验可借鉴,亟待突破创新。

  为新能源场站创新研究分布式调相机

  调相机在电网侧早已大规模应用,然而国内外尚无调相机在新能源场站应用的先例。

  2019年,在国家电网有限公司(以下简称国家电网公司)的统筹指导下,国家电网公司西北分部、国网青海电力、中国电力科学研究院有限公司、国网经济技术研究院有限公司等单位深入研究、科学论证,提出了在青海海南州地区4个新能源汇集站安装21台50兆乏分布式调相机的解决方案,并进一步明确了分布式调相机的具体性能指标。

  “此次安装的分布式调相机是一种布置在新能源发电站内,高度集成化的小容量同步调相设备,具备优异的暂态稳态特性和无功调节能力,对维持电力系统电压稳定起到了重要作用,同时可提高系统短路容量和短路比,从而支撑新能源电力大规模外送,为大电网安全稳定运行保驾护航。”陈春萌说。

  新能源分布式调相机具有系统简单、集成度高、调节性能好等优点,既能发挥系统动态无功储备的作用,又能为新能源电站提供次暂态、暂态、稳态的全过程无功补偿与电压支撑,极大地提升了青豫特高压直流通道的新能源电力输送能力。

  哈尔滨电气集团有限公司(以下简称哈电集团)哈尔滨电机厂有限责任公司副总经理李春廷介绍:“尽管大型调相机技术已相对成熟,但用于新能源发电侧的分布式调相机从设计数据上看,在性能上较常规调相机需提升30%以上,而机组损耗需下降20%。”

  为此,哈电集团、上海电气集团股份有限公司、东方电气集团东方电机有限公司三家研发制造企业抽调技术骨干组成专项攻关团队,打造出了满足要求、兼具性能和经济性的新型分布式调相机。专家介绍,新型调相机动态性能好,过载能力强,与传统调相机相比其动态电压支撑能力提升了1倍,温升降低50%,过载能力提升至4.5倍,工频过电压耐受能力提升至1.3倍,且具备4000米高海拔运行能力。此外,其高性能控制保护系统首次实现大容量静止变频器的国产化大规模工程应用,极大促进了电气二次设备的技术进步。

  2021年5月,青海电网21台分布式调相机正式启动安装,不久之后,调相机群顺利并网。专家表示,这是世界上首次在新能源发电侧探索大规模安装分布式调相机的实践,可以助力解决新能源高占比带来的暂态过电压问题,大幅提升新能源电力送出水平。

  电源侧“稳压器”助力新能源消纳

  2021年9月2日12时,在青海海南州千万千瓦级新能源基地,随着330千伏旭明变电站1号调相机投入试运行,世界首台新能源分布式调相机正式落户青海。同年11月8日,首批11台新能源分布式调相机全部投入使用,世界首个新能源分布式调相机群形成,使青海海南州地区新能源消纳能力提升185万千瓦。

  “这是世界上首次在电源侧大规模安装分布式调相机,对于推动新能源大规模开发利用,构建清洁低碳、安全高效的能源体系具有重要的示范引领意义。”国家电力调度控制中心系统处专责张怡介绍,与传统的无功补偿装置相比,分布式调相机具有故障瞬间电压支撑能力强、暂态响应速度快等优点,可作为电力系统电源侧的“稳压器”,未来将是新型电力系统的重要组成部分。

  得益于分布式调相机的投运,2021年11月16日、17日,青海电网新能源发电出力连续两日突破千万千瓦,达到1045万千瓦和1061万千瓦,较历史峰值994万千瓦分别提升了5.1%和6.7%。此后,新能源发电出力及发电量屡创新高。

  “世界最大规模新能源分布式调相机群,首批11台调相机经实际运行验证效果显著。”国网青海电力调度控制中心主任方保民介绍,这对青海新能源发电出力连续两日创新高有直接推动作用,大幅缓解了新能源消纳压力。

  “在电源侧大规模安装分布式调相机的探索实践,将有效解决跨区直流输电和新能源大规模接入电网带来的电压稳定问题,对于加快推动能源转型发展具有重大意义。”国家电投黄河上游水电开发有限责任公司工程技术部主管薛宁说。

  2021年,青海电网新能源总发电量达到341亿千瓦时,新能源发电量占全省总发电量的比例达34.48%。按照解决方案,此次21台分布式调相机全部投产后,可直接提升青海海南州地区新能源外送能力350万千瓦,预计年均增发新能源电量70.2亿千瓦时,若全部输送至华中地区,年均可替代当地火电原煤318.9万吨,减排二氧化碳574.2万吨,经济效益良好,节能减排收益显著。(张 蕴)

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